计算机面试八股（自整）

C/C++

编译运行过程

预处理（gcc -E，宏，头文件，注释，.i，ii），编译（-S，词法语法语义分析，.s），汇编（汇编代码转换成机器可执行的命令），链接（静态，将目标文件与静态库.a链接生成可执行文件；动态，只有库引用嵌入）

内存分段

代码段：可执行代码，只读的常量（某些编译器放到.rodata）

数据段：已初始化的全局变量，已初始化的静态变量

BSS：未初始化变量，未初始化的静态变量，自动初始化为0

堆：动态分配

栈：局部变量

程序的局部性原理

局部性原理（Locality Principle）是指程序在访问内存时，具有访问局部区域数据的倾向性。局部性原理可以大大提高缓存命中率，提高程序运行效率。

时间局部性：近期访问的数据或指令，在短时间内可能会被再次访问。

空间局部性：程序访问某个地址后，通常会访问其附近的地址。

管理资源生命周期的方法

手动管理：new，delete

RAII（Resource Acquisition Is Initialization）：智能指针，vector，fstream，lock_guard和unique_lock

友元

在 C++ 中，friend 关键字用于允许非成员函数、外部函数或其他类访问私有（private）和受保护（protected）成员。这通常用于提高类的灵活性，但要谨慎使用，以免破坏封装性（Encapsulation）。

友元函数：

✅ 友元函数可以访问私有和受保护成员。

✅ 友元函数不是类的成员，因此不需要 this 指针。

✅ 友元函数可以是全局函数或其他类的成员函数。

友元类：

✅ 友元类的所有成员函数都可以访问目标类的私有成员。

✅ 友元关系是单向的，即 A 是 B 的友元类，但 B 不是 A 的友元。

✅ 友元类破坏了封装性，应谨慎使用。

友元类的成员函数：有时，我们不想把整个类设为友元，而只想让某个成员函数访问私有成员。

memcpy和memmove

memcpy 和 memmove 都是 C/C++ 标准库中的内存拷贝函数，用于在内存区域之间复制数据。

两者的主要区别在于是否支持重叠（overlapping）内存区域。

map，mutimap，unordered_map

map基于红黑树实现，有序，不重复，log(n)；mutimap基于红黑树实现，有序，可重复log(n)；unordered_map基于哈希表实现，无序，不重复，log(1)。

set，mutiset，unordered_set

set基于红黑树实现，有序，不重复，log(n)；mutiset基于红黑树实现，有序，可重复log(n)；unordered_set基于哈希表实现，无序，不重复，log(1)。

override与final

override 关键字用于显式标识一个虚函数是 重写（override）基类中的虚函数。它能够帮助编译器检查函数签名是否正确，确保我们确实是想要重写一个虚函数。如果重写的函数与基类的虚函数签名不匹配，编译器会给出错误提示。

final 关键字用于声明不允许进一步重写的虚函数或不允许继承的类。

• 当 final 用于虚函数时，表示该函数在当前类中是最终实现，无法在派生类中被重写。
• 当 final 用于类时，表示该类不能被继承。

explicit

防止构造函数隐式转换

C++11特性

权限

结构体默认为public，类默认为private，继承时同样。

static关键字

局部静态变量：局部静态变量是指在函数内部声明的静态变量。与普通局部变量不同，静态局部变量的生命周期持续到程序结束，而不是仅在函数调用期间存在。它们仅在第一次调用时初始化一次，之后保留其值。

全局静态变量：全局静态变量是指在函数外部声明的静态变量，它的作用域仅限于定义它的文件（翻译单元）。它不能在其他文件中访问。

静态函数：静态函数是指被 static 修饰的函数。它的作用域仅限于定义它的文件，不能在其他文件中调用。静态函数通常用于实现封装，防止其他文件直接调用。

静态数据成员：静态数据成员属于类而不是类的实例。它们对所有类的对象是共享的，因此静态数据成员的值是相同的。静态数据成员的声明通常放在类内，而定义通常放在类外。

静态成员函数：静态成员函数与静态数据成员类似，不依赖于类的任何实例，因此它们只能访问静态数据成员和其他静态成员函数，不能访问非静态成员。

操作系统

虚拟内存

虚拟内存为程序提供比实际物理内存更大的内存空间。虚拟内存就是把实际地址空间映射到虚拟地址空间的技术，这样就实现了内存隔离、内存扩展、物理内存管理、页面交换等技术。

分段与分页

分段：分段是一种将程序的内存分成多个逻辑段的内存管理方式。每个段通常代表程序的一个逻辑部分，如代码段、数据段（全局，静态）、BSS（未初始化变量）堆（动态分配）栈（局部变量）等。每个段都有一个段基址（段起始地址）和段长度（段的大小）。

分页：分页是一种将程序的内存分成固定大小的页面进行管理的方式。内存被划分为相同大小的页面，而物理内存被划分为相同大小的页框。分页的基本思想是将程序的虚拟地址空间映射到物理地址空间，页表查询。

用户态和内核态

用户态（User Mode）和内核态（Kernel Mode）是操作系统中最核心的概念之一，它们定义了程序运行的不同权限级别和资源访问范围。当程序需要执行特权操作（如读取文件、网络通信、内存分配）时，必须通过**系统调用（System Call）**进入内核态。

系统调用

系统调用是用户态程序与操作系统内核交互的接口，允许用户程序请求内核执行特权操作，如 文件操作、进程管理、网络通信、内存管理等。

中断，异常

中断和异常是两种不同的事件，二者都会导致CPU暂停当前的程序执行，转而去执行特定的处理程序。中断一般是由于外部设备或其他处理器导致的，一般是异步的，也就是说可以在任何时候发生，不会由当前的指令造成。比如键盘输入、鼠标输入、网络数据到达，来提醒CPU去处理这些事件。异常则是在当前CPU内部发生的，一般是同步的，由当前的指令造成。比如除数异常、访问非法内存地址、执行非法指令等，来提醒CPU去处理这些错误。

进程创建

fork，exec，clone

进程通信

管道：管道是一种半双工（只能一个方向传输）的通信机制，常用于父子进程之间的数据传输，通过内核提供的缓冲区进行。匿名管道仅用于亲缘进程间通信，命名管道可跨进程。

消息队列：消息队列是一个链表形式的消息集合，存储在内核中，由消息队列标识符引用。

信号：信号是一种异步通知机制，用于通知进程发生了某个事件。

共享内存： 共享内存是一段可以被多个进程访问的内存区域。本质上是让不同进程"看到"同一块物理内存，是最快的进程间通信方式之一（零拷贝，直接读写），通常与信号量或互斥机制配合使用，确保同步与互斥；

信号量：信号量是一个"计数器"，用于控制多个进程或线程对共享资源的访问。

套接字：套接字是操作系统提供的通信接口，用于不同主机之间、同一主机内的不同进程之间进行数据交换。它就像数据传输的"网关"，允许应用程序发送和接收数据。

进程调度

进程调度是操作系统中管理进程执行的关键机制，它决定了多个进程在 CPU 上执行的顺序。操作系统通过调度算法来分配 CPU 时间，使得系统能够合理、有效地利用 CPU 资源，提高系统的吞吐量和响应时间。

调度过程分为几个主要的阶段：

• 进程创建：当新进程创建时，它会被放入就绪队列中。

• 进程选择：操作系统的调度程序从就绪队列中选择一个进程进行调度。

• 进程执行：被选择的进程开始执行。

• 进程状态变更：

  • 就绪状态：进程已就绪，等待 CPU 执行。

  • 运行状态：进程正在执行。

  • 阻塞状态：进程因等待某些事件（如 I/O）而被挂起。

• 进程切换：当当前运行的进程时间片耗尽或需要等待 I/O 时，操作系统会进行进程切换，将 CPU 交给下一个就绪的进程。

进程与线程区别

互斥和同步

锁

锁（Lock）是并发编程中的一种基本机制，用于控制对共享资源的访问，以避免多个线程或进程在并发执行时发生竞争条件（Race Condition），确保数据的一致性和完整性。锁的本质是保证在同一时刻，只有一个线程能够访问临界区中的共享资源。

孤儿进程和僵尸进程

LD_PRELOAD

用户可以强制在程序启动时加载指定的共享库，优先于程序默认的库

I/O多路复用

一个单一的线程或进程中同时监视多个文件描述符（如套接字、文件、管道等），以确定这些文件描述符中的哪些已经准备好进行I/O操作（如读、写、或发生异常）。比如一个服务器程序，它需要处理多个客户端的网络请求。每个客户端连接到服务器的一个套接字。可以用多路复用技术（如 epoll）来"监视"所有这些套接字。为每个请求分配一个进程/线程的方式不合适，所以使用一个进程来维护多个 Socket。进程可以通过一个系统调用函数(select、poll、epoll)从内核中获取多个事件。

select 和 poll 都是内核通过轮询（遍历）的方式来检查多个文件描述符是否有 I/O 操作就绪（如可读、可写、异常情况等）。poll 没有文件描述符数量的限制，因为它采用的是动态数组的方式来存储文件描述符和事件。epoll 使用事件通知机制，一旦某个文件描述符的状态发生变化，内核会将这个事件通知给 epoll，使得程序不需要反复轮询所有文件描述符。

epoll实现的数据结构是红黑树和双向链表，红黑树用于存储和管理所有被监视的文件描述符（文件描述符通常是 socket）。当你向 epoll 实例添加、删除或修改一个文件描述符时，epoll 会将这个文件描述符插入或移除红黑树中。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，确保了插入、删除和查找操作的时间复杂度为 O(log n)，这使得 epoll 能够高效地管理大量的文件描述符。双向链表用于存储就绪事件（即有 I/O 操作准备好的文件描述符）。当某个文件描述符就绪时，它会被加入到这个双向链表中。双向链表的插入和删除操作非常高效，时间复杂度为 O(1)，这对于 epoll 处理大量并发连接时的性能至关重要。

计算机网络

OSI参考模型

http状态码

TCP与UDP

三次握手

客户端                             服务器
   | ------ SYN(seq=x) -------->     |
   |                                 |
   | <--- SYN-ACK(seq=y, ack=x+1) ---|
   |                                 |
   | ------ ACK(ack=y+1) -------->   |
连接建立完成

第一次握手：客户端 → 服务器

• 发送 SYN 报文，seq = x，进入 SYN_SENT 状态。

• 表示请求建立连接。

第二次握手：服务器 → 客户端

• 收到 SYN 后，发送 SYN+ACK 报文，seq = y, ack = x+1。

• 进入 SYN_RECV 状态，表示"我收到了你的请求，也准备好了"。

第三次握手：客户端 → 服务器

• 客户端收到 SYN+ACK，发送 ACK 报文，ack = y+1。

• 进入 ESTABLISHED 状态，服务器收到后也进入 ESTABLISHED 状态。

✅连接建立完成。

四次挥手

客户端                             服务器
   | ------ FIN(seq=u) -------->     |
   |                                 |
   | <--------- ACK(ack=u+1) --------|
   |                                 |
   | <------ FIN(seq=v) ------------ |
   |                                 |
   | --------- ACK(ack=v+1) -------> |
连接关闭完成

第一次挥手：客户端 → 服务器

• 客户端发送 FIN，表示不再发送数据了，但仍可接收数据。

• 进入 FIN_WAIT_1 状态。

第二次挥手：服务器 → 客户端

• 收到 FIN，回复 ACK，表示"知道了"。

• 进入 CLOSE_WAIT 状态。

第三次挥手：服务器 → 客户端

• 等待服务器把该发的数据发完后，发送 FIN。

• 进入 LAST_ACK 状态。

第四次挥手：客户端 → 服务器

• 客户端收到 FIN 后发送 ACK，进入 TIME_WAIT 状态。

• 等待 2MSL（最大报文生存时间）后，进入 CLOSED 状态。

• 服务器收到 ACK 后，立即关闭连接。

为什么握手是三次、挥手是四次？

握手中，SYN 和 ACK 可以合并发送（第二次握手），所以只需三次。

挥手中，FIN 和 ACK 通常不能合并，因为服务端可能还有数据要发，因此需要四次。

数据结构

红黑树

红黑树（Red-Black Tree）是一种 自平衡二叉查找树（BST），用于在最坏情况下也能提供良好的查找、插入和删除效率。红黑树是 AVL树的轻量替代方案，相比 AVL 树插入和删除时的旋转更少，因此在写操作较多的场景中性能更优。

红黑树的性质（核心规则）

• 每个节点要么是红色，要么是黑色。

• 根节点是黑色。

• 所有叶子节点（NIL）都是黑色。

• 红色节点的子节点必须是黑色（不能连续两个红色节点）。

• 从任一节点到其所有叶子节点的路径中，黑色节点数量相同（黑高一致）。

这些性质保证了树的平衡性：最长路径不会超过最短路径的2倍。

算法

动态规划

动态规划（Dynamic Programming，简称 DP）是一种用于求解最优化问题的算法设计思想，它通过将复杂问题分解成更小的子问题、保存子问题的解以避免重复计算，从而提升效率。

状态转移方程：

dp[i] = min(dp[i-1], dp[i-2]) + cost[i]

DFS，BFS

排序

冒泡排序（Bubble Sort）：相邻两个数比较，把最大的"冒"到最后。

插入排序（Insertion Sort）：从第二个元素开始，向前插入到合适的位置。

选择排序（Selection Sort）：每次选择最小的元素，放在未排序序列的开头。

快速排序（Quick Sort）：选一个"基准值"，比它小的放左边，比它大的放右边，然后递归。

归并排序（Merge Sort）：递归分成小块，然后合并排序。

堆排序（Heap Sort）：先建一个大顶堆，然后不断将堆顶（最大值）放到末尾。

Rust

编程思想

Rust的编程思想安全性（所有权，不需要回收机制）、并发性和性能

数据库

四个特性，ACID

文件写入的过程

1.用户空间请求写入

当一个程序需要向文件写入数据时，它会通过系统调用请求操作系统执行文件写入操作。

• 常见的系统调用：write()、fwrite()、open()（打开文件）

2.系统调用与内核交互

当程序调用 write() 等系统调用时，程序会进入内核态，操作系统将会进行以下操作：

• 参数校验：检查写入操作的合法性，如文件描述符是否有效，文件是否存在，是否有写入权限等。

• 缓冲区管理：操作系统会将数据缓存到内核中的缓冲区（通常是页缓存）。如果数据比较小，可能不会立即写入磁盘，而是先写入缓冲区，待缓冲区满或者文件关闭时再写入磁盘。

3.数据写入磁盘

当内核准备好写入数据时，会根据文件描述符指向的文件路径，执行实际的磁盘 I/O 操作。这个过程包含：

• 文件系统管理：内核会使用文件系统来定位文件数据块（例如，EXT4、NTFS等）。文件系统管理元数据（如文件大小、位置、权限等）并决定数据应写入哪些磁盘块。

• 磁盘调度：操作系统通过磁盘调度算法（如 FIFO、SSTF）管理写入请求的顺序，减少磁盘寻道时间，优化磁盘 I/O 性能。

• 物理存储：数据被写入磁盘的物理存储介质中，通常是 HDD（机械硬盘）或 SSD（固态硬盘）。磁盘存储通常由磁头或闪存芯片进行管理。

4.同步与数据持久化

写入磁盘的过程可能会涉及同步机制以确保数据的持久性，特别是在发生故障时。

• 同步写入：通过调用 fsync() 或 fdatasync() 系统调用，操作系统会强制将数据从内存中的缓存写入到磁盘，确保数据不丢失。通常，操作系统会在文件关闭时自动将缓存区的内容刷新到磁盘。

• 异步写入：如果没有强制同步，数据可能会先存入内存缓存，稍后再异步写入磁盘。这种方式提高了性能，但存在数据丢失的风险（例如，系统崩溃时）。

5.文件关闭与缓冲区刷新

当文件写入完成并调用 close() 时，内核会执行以下操作：

• 刷新缓存：如果缓冲区中还有未写入的数据，操作系统会将数据写入磁盘。

• 释放文件描述符：释放与文件相关的资源，并更新文件的元数据（如修改时间等）。

6.文件系统的日志机制（可选）

一些现代文件系统（如 EXT4、XFS）使用日志（journal）机制来保证写入操作的原子性和持久性。每当数据被写入磁盘时，文件系统首先将操作记录到日志中，然后再执行实际的写入操作。如果系统崩溃，文件系统可以通过日志恢复到一致的状态。